Zukunftstechnologie Erneuerbare Energien für Dummies

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DIE WICHTIGSTEN BEGRIFFE IM ÜBERBLICK

Auf diesen Seiten stelle ich Ihnen die wichtigsten im Buch verwendeten Begriffe vor.

Der Energiebedarf und der Treibhauseffekt

• Primärenergie ist Energie in technisch noch nicht aufbereiteter Form wie Kohle, Erdöl, Erdgas, Uran, Sonnenstrahlung, Wind, Holz oder Biomasse. Sekundärenergie ist technisch verwertbare Energie, also zum Beispiel Strom, Erdgas, Benzin, Heizöl, Fernwärme. Endenergie ist Energie, die abzüglich aller (Übertragungs-)Verluste tatsächlich beim Verbraucher am Toaster oder der Drehmaschine ankommt.
• Energie (E) ist gespeicherte Arbeit. Arbeit (W für »work«) wird zugeführt oder abgegeben und verändert die Energie eines Systems. Leistung (P für »power«) gibt an, in welcher Zeit Arbeit verrichtet oder Energie umgewandelt wird.
• Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Leistung und der zugeführten Leistung bei einer Energieumwandlung. Da die abgeführte Leistung wegen unvermeidlicher Verluste immer kleiner als die zugeführte Leistung ist, liegt immer unter 100 %.
• Der anthropogene Treibhauseffekt, also die anthropogene Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts, beruht auf der vom Menschen verursachten Freisetzung von Treibhausgasen wie CO2 (Kohlenstoffdioxid), CH4 (Methan), N2O (Lachgas) und O3 (Ozon) und führt zu einer zusätzlichen Erwärmung des Klimas auf unserem Planeten sowie zu einer hieraus folgenden Zunahme von Extremwetterereignissen.
• Treibhausgase sind CO2 (Kohlenstoffdioxid) aus der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdgas und Erdöl, CH4 (Methan) aus der Viehzucht, N2O (Distickstoffmonoxid, Lachgas) aus der landwirtschaftlichen Düngung und O3 (Ozon) durch Verwendung von FCKW/FKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe/Fluorkohlenwasserstoffe). Auch Wasserdampf ist ein Treibhausgas. Da wärmere Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann, führt auch dies zu einer weiteren Verstärkung des Treibhauseffekts.

Die konventionelle Energieversorgung

• Fossile Energieträger sind konzentrierte Energiequellen, die in vielen Jahrmillionen aus tierischen oder pflanzlichen Überresten entstanden sind. Zu ihnen zählen Erdöl, Erdgas, Steinkohle, Braunkohle und Torf. Sie sind zwar gespeicherte Sonnenenergie, lassen sich aber nicht in überschaubaren Zeiträumen regenerieren. Da sie aus organischen Kohlenstoffverbindungen bestehen, setzen sie bei der Verbrennung mit Sauerstoff das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid frei und reichern das in der Atmosphäre befindliche zusätzlich an.
• Bei der Verbrennung von Kohle und anderen fossilen Brennstoffen entstehen außer Kohlenstoffdioxidemissionen auch Luftschadstoffe wie Schwefel- und Stickstoffverbindungen sowie Stäube, die mit erheblichen technischen Aufwänden reduziert werden müssen.
• Die Halbwertszeit gibt die Wirkungsdauer einer radioaktiven Strahlung an und sagt aus, wie groß die Zeitspanne ist, bis die Radioaktivität eines Materials auf die Hälfte abgeklungen ist. Das bei der technischen Kernspaltung auftretende radioaktive Isotop Uran-235 hat eine Halbwertszeit von 700 Millionen Jahren.

Die nachhaltige Energieversorgung

• Da die von der Natur vorgegebenen Energieformen, die Sonnenstrahlung und die Schwerkraft des Mondes, in nach menschlichem Ermessen unerschöpflicher Menge vorhanden sind, werden sie als erneuerbare oder regenerative Energien bezeichnet.
• Wenn Strom mithilfe erneuerbarer Energieträger wie Sonnenstrahlung, Wind und Wasser, Erdwärme oder Biomasse erzeugt wird, sprechen wir von grünem Strom.
• Biomasse ist organisches Material von Lebewesen und ihren Stoffwechselprodukten sowie kürzlich abgestorbenen Organismen. Biomasse ist ein nachwachsender, also erneuerbarer Rohstoff, der über die Photosynthese durch die Sonnenstrahlung seine Energie erhält. Die Verbrennung von Biomasse zur Energiegewinnung ist deshalb klimaneutral, weil bei der Verbrennung von Pflanzenresten nur so viel Kohlenstoffdioxid entsteht, wie die Pflanzen während ihres Wachstums aus der Umgebungsluft aufgenommen haben. Verbrennen wir Kohle, so kommt zusätzliches Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre, dass seit Jahrtausenden in unserem Erdreich gebunden war.
• Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die über einen Generator unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, und nutzbarer Wärme, die über Wärmetauscher als technisch nutzbare Wärmeenergie verwertet werden kann, was den Wirkungsgrad der Umwandlung deutlich erhöht. Dies lässt sich sowohl mit konventionellen als auch mit nachhaltigen Energieträgern als Brennstoff durchführen. Zur Stromerzeugung wird also gleichzeitig auch die Nutzwärme ausgekoppelt und damit die Abgabe ungenutzter Abwärme an die Umgebung verringert, was die Effizienz dieses Prozesses erheblich verbessert.
• Windkraftanlagen wandeln die von der Sonnenstrahlung angetriebenen Luftströmungen in Elektrizität um. Sie sind meistens Auftriebsläufer. Die Querschnittsfläche des Rotorblatts ist bei einem Auftriebsläufer wie ein Flugzeugflügel geformt. Die stärker gewölbte Oberseite zwingt die Luftströmung zu einem längeren Weg, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite erhöht und der statische Luftdruck dort absinkt. Die dadurch entstehende Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Rotorblatts erzeugt eine Auftriebskraft, die es in Bewegung setzt.
• Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Lichtstrahlen (Photonen) in elektrische Energie (Spannung, Strom). Der Begriff setzt sich aus den Wörtern »Photo« und »Volta« zusammen. Photo ist griechisch und bedeutet Licht. Volta geht auf den italienischen Physiker Graf Alessandro Volta (1745-1827) zurück, der die erste praktikable Batterie erfand. Technisch wird der photovoltaische Effekt mit Solarzellen realisiert, die die solare Strahlungsenergie (Sonnenlicht) direkt in elektrische Energie (Spannung, Strom) umwandeln. Elektrotechnisch wirken Solarzellen wie Photodioden.
• Die Sonne sendet über 7000-mal mehr Energie auf die Erde, als wir benötigen. Sie ist deshalb unsere unerschöpflichste erneuerbare Energiequelle, die wir kennen.
• Sonnenkollektoren in Solarthermieanlagen wandeln die Sonnenenergie in Wärmeenergie zur Erwärmung von Trink- und Brauchwasser oder zum Heizen von Gebäuden. Kollektor bedeutet »Sammler«, in diesem Falle also Sammler von Sonnenstrahlen.
• Geothermie nutzt die Erdwärme in verschiedenen Tiefen. Von Tiefengeothermie sprechen wir, wenn die Erdwärme in etwa 400 bis 5000 Metern Tiefe erschlossen wird. Dabei wird die Wärmeenergie des geförderten Thermalwassers in Geothermiekraftwerken in elektrische Energie umgewandelt. In Tiefen von wenigen Metern bis etwa 100 Metern sprechen wir von oberflächennaher Geothermie, wofür beispielsweise Wärmepumpen eingesetzt werden, um die Erdwärme zur Heizung von Gebäuden oder zur Brauchwassererwärmung zu nutzen.
• Für Laufwasserkraftwerke wird durch ein Wehr oder einen Staudamm ein Rückstau des Wasserstroms erzeugt, sodass an der Staustufe ein Gefälle herrscht. Die dadurch verstärkte Strömung treibt Turbinen an und diese einen elektrischen Generator zur Stromgewinnung.
• Pumpspeicherkraftwerke arbeiten mit Wasser in zwei Becken. Bei Strombedarf wird das Wasser aus einem höher gelegenen Oberbecken über Druckrohrleitungen zu einer Turbine geleitet, um Strom über einen an die Turbine angeschlossenen Generator zu erzeugen. Nach Durchlaufen der Turbine wird das Wasser im tiefer gelegenen Unterbecken gesammelt. Ist überschüssiger Strom im Stromnetz, wird das Wasser wieder aus dem Unterbecken in das Oberbecken zurückgepumpt, um die überschüssige elektrische Energie als potenzielle Gravitationsenergie des Wassers im Oberbecken zu speichern. Ein Pumpspeicherkraftwerk dient also nicht nur der Stromerzeugung, sondern auch der Stromspeicherung.
• Die gravitativen Anziehungskräfte des Mondes und in geringerem Maße der Sonne sind für die Ebbe und die Flut verantwortlich. Diese Kräfte erzeugen einen Tidenhub, dessen kinetische Energie zur Stromerzeugung in Gezeitenkraftwerken genutzt wird. Andere Meeresströmungen lassen sich in Meeresströmungskraftwerken zur Stromgewinnung nutzen. Wellenkraftwerke wandeln die Bewegungsenergie von Oberflächenwellen des Meerwassers in elektrischen Strom um.
• Osmosekraftwerke nutzen den Unterschied des Salzgehalts von Süß- und Meerwasser, um Strom zu erzeugen. Süß- und Salzwasser sind durch eine halbdurchlässige Membran getrennt. Das Süßwasser diffundiert auf die Salzwasserseite und erhöht dort den Druck, der eine Turbine mit angeschlossenem Generator zur Stromgewinnung antreibt.
• Kernfusion...